Electromagnetic and thermal design of a multilevel converter with high power density and reliability

Electric energy demand has been growing constantly as the global population increases. To avoid electric energy shortage, renewable energy sources and energy conservation are emphasized all over the world. The role of power electronics in energy saving and development of renewable energy systems is significant. Power electronics is applied in wind, solar, fuel cell, and micro turbine energy systems for the energy conversion and control. The use of power electronics introduces an energy saving potential in such applications as motors, lighting, home appliances, and consumer electronics. Despite the advantages of power converters, their penetration into the market requires that they have a set of characteristics such as high reliability and power density, cost effectiveness, and low weight, which are dictated by the emerging applications. In association with the increasing requirements, the design of the power converter is becoming more complicated, and thus, a multidisciplinary approach to the modelling of the converter is required. In this doctoral dissertation, methods and models are developed for the design of a multilevel power converter and the analysis of the related electromagnetic, thermal, and reliability issues. The focus is on the design of the main circuit. The electromagnetic model of the laminated busbar system and the IGBT modules is established with the aim of minimizing the stray inductance of the commutation loops that degrade the converter power capability. The circular busbar system is proposed to achieve equal current sharing among parallel-connected devices and implemented in the non-destructive test set-up. In addition to the electromagnetic model, a thermal model of the laminated busbar system is developed based on a lumped parameter thermal model. The temperature and temperature-dependent power losses of the busbars are estimated by the proposed algorithm. The Joule losses produced by non-sinusoidal currents flowing through the busbars in the converter are estimated taking into account the skin and proximity effects, which have a strong influence on the AC resistance of the busbars. The lifetime estimation algorithm was implemented to investigate the influence of the cooling solution on the reliability of the IGBT modules. As efficient cooling solutions have a low thermal inertia, they cause excessive temperature cycling of the IGBTs. Thus, a reliability analysis is required when selecting the cooling solutions for a particular application. The control of the cooling solution based on the use of a heat flux sensor is proposed to reduce the amplitude of the temperature cycles. The developed methods and models are verified experimentally by a laboratory prototype.

Market anomalies and tactical asset allocation: Utilising market anomalies in multiple asset class portfolios with the Black−Litterman model

This thesis discusses the basic problem of the modern portfolio theory about how to optimise the perfect allocation for an investment portfolio. The theory provides a solution for an efficient portfolio, which minimises the risk of the portfolio with respect to the expected return. A central feature for all the portfolios on the efficient frontier is that the investor needs to provide the expected return for each asset. Market anomalies are persistent patterns seen in the financial markets, which cannot be explained with the current asset pricing theory. The goal of this thesis is to study whether these anomalies can be observed among different asset classes. Finally, if persistent patterns are found, it is investigated whether the anomalies hold valuable information for determining the expected returns used in the portfolio optimization Market anomalies and investment strategies based on them are studied with a rolling estimation window, where the return for the following period is always based on historical information. This is also crucial when rebalancing the portfolio. The anomalies investigated within this thesis are value, momentum, reversal, and idiosyncratic volatility. The research data includes price series of country level stock indices, government bonds, currencies, and commodities. The modern portfolio theory and the views given by the anomalies are combined by utilising the Black-Litterman model. This makes it possible to optimise the portfolio so that investor’s views are taken into account. When constructing the portfolios, the goal is to maximise the Sharpe ratio. Significance of the results is studied by assessing if the strategy yields excess returns in a relation to those explained by the threefactormodel. The most outstanding finding is that anomaly based factors include valuable information to enhance efficient portfolio diversification. When the highest Sharpe ratios for each asset class are picked from the test factors and applied to the Black−Litterman model, the final portfolio results in superior riskreturn combination. The highest Sharpe ratios are provided by momentum strategy for stocks and long-term reversal for the rest of the asset classes. Additionally, a strategy based on the value effect was highly appealing, and it basically performs as well as the previously mentioned Sharpe strategy. When studying the anomalies, it is found, that 12-month momentum is the strongest effect, especially for stock indices. In addition, a high idiosyncratic volatility seems to be positively correlated with country indices on stocks.

Yhteistä turvallisuutta rakentaen : poliisi- ja upseeriprofessioiden yhteiskehittelyn mahdollisuuksista

Poliisin rakenneuudistus Pora III ja Puolustusvoimauudistus 2011–2015 ovat olleet viime vuosien esimerkkejä julkisen sektorin työn tehostamisen vaatimuksista. Sekä Puolustusvoimilla että poliisilla, kahdella turvallisuusalan viranomaistaholla, on lakisääteiset tehtävänsä, jotka tulee työn tehostamisen vaatimuksista huolimatta suorittaa. Turvallisuusala yksityistyy vauhdilla, ja keskustelua käydään siitä, mitä tehtäviä viranomainen hoitaa itse, mitä annetaan kaupallisen toimijan tai järjestöjen hoidettavaksi ja mistä kansalainen vastaa itse jatkossa. Resurssi- ja tehostamisvaatimuksia mietittäessä nousee esille upseereiden kohdalla koko maan puolustus ja turvaaminen. Kyetäänkö tämän tehtävän täyttämiseen mahdollisessa sotatilanteessa enää nykyisellä tai mahdollisesti vähenevällä resursoinnilla? Poliisitoimen osalta vasteajat eri puolilla Suomea puhuttavat, samoin se, miten tehtäviä priorisoidaan hoidettavaksi. Saavatko kansalaiset enää perusoikeuksiinsa kuuluvaa arjen turvallisuutta, jonka vielä tänä päivänä katsotaan kuuluvan valtion perustehtäviin? Viranomaisten pitäisi tutkimukseen valittujen aineistojen sekä lakien perusteella hoitaa tehtävänsä laadukkaasti ja tasa-arvoisesti kaikkialla Suomessa. Nykyiset sisäistä ja ulkoista turvallisuutta käsittelevät asiakirjat, esimerkiksi strategiat, puhuvat laajasta turvallisuuskäsityksestä, sisäisen ja ulkoisen turvallisuuden rajojen hämärtymisestä globalisoitumisen seurauksena ja lisääntyvästä poikkihallinnollisesta yhteistyöstä toimintaa ohjaavana ajattelumallina. Viranomaisyhteisyötä tulisi lisätä osana normaalia toimintaa, samoin yhteistyötä järjestöjen, elinkeinoelämän ja jokaisen kansalaisen kanssa. Valtioneuvoston tulevaisuusselonteossa (2013) peräänkuulutetaan uusia, innovatiivisia tapoja hoitaa sekä valtion että kuntien tehtäviä. Yhteisen toiminnan kohteen eli laajan turvallisuuskäsityksen viitekehyksessä on mahdollisuus pohtia uudenlaista turvallisuusalan viranomaisyhteistyötä, eli etsiä perusteluja upseeri- ja poliisiprofession syvemmälle yhteistyölle – yhteiskehittelylle. Tutkimukseni tavoitteena on herätellä keskustelua siitä, onko yhteisen toiminnan kohteen löytymiselle edellytyksiä. Nähtävissä on, että valtiolle kuuluvia toimintoja tehostetaan jatkossakin. Yksi järkevä tapa tehostamisessa on löytää töiden rajapintoja ja yhdistää resurssit näiden osalta. Jotta toiminta olisi tehokasta, sen pitää olla osa jokapäiväistä toimintaa eikä perustua vain muutamiin yhteistoimintaharjoituksiin tai jo tapahtuneiden poikkeustilanteiden hoitoon. Suurin osa kriisiajan toiminnasta perustuu normaaliolojen toimintaan, jolloin sen lähtökohdat voisivat olla yhteisessä työssä ja alkaa jo koulutuksesta, mikä nostetaan tässä työssä yhtenä mahdollisuutena esille. Koulutuksellinen yhteistyö ja liikkuvuus ovat eurooppalaisen tutkintojen viitekehyksen perusteella mahdollista myös kahden eri hallinnonalan koulutuksessa. Tällaista koulutuksen tehostamista haetaan tällä hetkellä muualla yhteiskunnassa. Mutta halutaanko omasta toiminnasta ja tehtävistä luopua edes osittain ja tehdä yhteistyötä mahdollisesti oman työn hallinnan, vallan tai resurssien menettämisen pelossa? Vai onko kyse vain siitä, että yhteistyön syventämiselle ei ole nähty kovinkaan suurta tarvetta tai hyötyä eikä yhteistyö näytä tuovan mitään uutta ammattikuntien osaamiseen? Tutkimuksen aineisto koostuu valtionhallinnon aineistoista, kuten strategioista, mietinnöistä ja raporteista niin sisäisen kuin ulkoisen turvallisuuden alalta. Aineistona käytetään myös upseeri- (n=71) ja poliisipäällystöopiskelijoille (n=65) suunnattua kyselyä ja kirjoitelmaa tulevaisuuden turvallisuusasiantuntijuudesta vuonna 2030. Lisäksi opiskelijavastauksista tehtyä analyysia syvennetään molempien korkeakoulujen (Maanpuolustuskorkeakoulu ja Poliisiammattikorkeakoulu) rehtoreiden sekä molempien hallinnonalojen (puolustusministeriö sekä sisäministeriö) kansliapäälliköiden haastatteluilla. Aineistojen avulla pyritään herättelemään ajatuksia siitä, voisiko yhteisiä töitä löytyä yhteistyön pohjaksi. Tarkoituksena on perustella, miksi yhteistyötä kannattaa tehdä ja ikään kuin vastata etukäteen vastaväitteisiin, miksi sitä ei voitaisi tehdä. Strategioiden yhteistyön tahtotilaa verrataan muihin strategioiden toimenpide ehdotuksiin ja sitä kautta vielä kyselyaineistoon. Opiskelijakyselyllä haetaan näkemyksiä tulevaisuuden turvallisuusasiantuntijuudesta ja mahdollisesta yhteistyöstä sekä sen painopisteistä. Muilla asiantuntijahaastatteluilla haetaan korkeakoulujen sekä ministeriön tason näkemyksiä opiskelijoiden mielipiteisiin. Opiskelijakyselyn avulla on haluttu selvittää sitä, mitä jo työelämässä olleet mutta vaihteeksi opiskelevat sotatieteiden maisteriopiskelijat Maanpuolustuskorkeakoulussa ja poliisin päällystötutkinnon opiskelijat Poliisiammattikorkeakoulussa ajattelevat turvallisuusalan ja -asiantuntijuuden muutoksesta. Minkälaisena he näkevät oman tulevan työnsä ja yhteistyökentän muiden viranomaisten kanssa? Selvää opiskelijavastausten mukaan on se, että turvallisuus halutaan pitää jatkossakin viranomaisen vastuulla ja välttää viimeiseen asti yksityisen sektorin liiallista vastuuta enempää kuin on pakko. Yhteistyötä halutaan edelleen lisätä, ja erityisesti tämä koskee viranomaisten välistä yhteistyötä. Tutkimus on tietoisesti rajattu koskemaan kahta turvallisuusalan viranomaistoimijaa, ammattikorkeakoulutuksen käyneitä poliiseja ja Puolustusvoimien Maanpuolustuskorkeakoulussa opiskelevia upseereita, joiden tehtävistä ja koulutuksesta on löydettävissä yhteisiä rajapintoja ja yhteistyön alueita. Kiinnostus syventyä valittuun kahteen ammattialaan johtuu myös siitä, että usein esimerkiksi sisäasianhallinnon strategioissa Puolustusvoimat jätetään ulkopuolelle varsinkin normaaliolojen yhteistyötä tarkasteltaessa tai vain yksittäisen maininnan asteelle. Sama huomio on havaittavissa puolustushallinnon strategioista. Tämä nousee esille erityisesti alueellista yhteistyötä tai viranomaisyhteistyötä pohdittaessa. Silti sekä sisäministeriön että puolustusministeriön hallinnonalan strategiat ym. perustuvat laajaan turvallisuuskäsitykseen, ja usein eri ammattikuntia analysoitaessa puhutaan tehtävistä, joita tekevät useat ammattikunnat ja professiot. Puhutaan niin sanotuista harmaista alueista. Ministeriöiden tahtotilassa ja toiminnassa on tutkimukseni mukaan nähtävissä ristiriita. Koulutuksen osalta yhteistyön lisääminen on mahdollista etenkin nyt, kun Poliisiammattikorkeakoulussa peruskoulutus on muuttunut ammattikorkeakoulutasoiseksi ja näin tämän ammattikunnan professioasema koulutuksen näkökulmasta on vahvistunut entisestään. Käsittelenkin tutkimuksessani kahta professiota professiotutkimuksen perinteisiä kriteereitä käyttäen, eli rinnastaessani näitä kahta ammattia. Rinnastettavuus koulujen kesken on tullut mahdolliseksi sekä tutkintojen että osaamisen tarkastelun näkökulmasta. Tämän myötä myös molempia korkeakouluja hyödyttävää yhteistyötä olisi mahdollista miettiä osana muutakin hallinnon tehostamista ja rauhan ajan viranomaistoimintaa.